鐵路工程測(cè)量方法與實(shí)施步驟研究

封欽

摘 要:本文基于筆者多年從事鐵路工程測(cè)量的相關(guān)工作經(jīng)驗(yàn),以GPS RTK技術(shù)在鐵路線(xiàn)路測(cè)量中的應(yīng)用為研究背景,深度探討了GPS RTK技術(shù)用于鐵路工程測(cè)量的必要性、作業(yè)流程和優(yōu)點(diǎn),論文結(jié)合筆者參與的具體工程實(shí)例進(jìn)行了剖析,給出了具體的操作流程,全文是筆者長(zhǎng)期工作實(shí)踐基礎(chǔ)上的理論升華,相信對(duì)從事相關(guān)工作的同行有著重要的參考價(jià)值和借鑒意義。

關(guān)鍵詞:GPS RTK線(xiàn)路測(cè)量定線(xiàn)測(cè)量斷面測(cè)量定位測(cè)量

中圖分類(lèi)號(hào):TB22 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1672-3791(2012)07(b)-0036-02

在鐵路工程測(cè)量中,常規(guī)地面測(cè)繪技術(shù)主要利用電子全站儀、水準(zhǔn)儀等地面測(cè)量?jī)x器,配合其他測(cè)量工具(如皮尺、塔尺等)進(jìn)行。這種測(cè)量模式存在著作業(yè)人員和儀器設(shè)備多、野外工作量大、工作效率低、測(cè)量誤差累積、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量成果不直觀、自動(dòng)化程度較低等諸多缺點(diǎn)。這些問(wèn)題在工程測(cè)區(qū)內(nèi)的通行、通視條件差時(shí)更顯突出。相比之下,近年來(lái)出現(xiàn)的GPS-RTK定位技術(shù)具有實(shí)時(shí)、快速、精度好、所需控制點(diǎn)少、外業(yè)工作量小、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn),從而能有效地克服常規(guī)地面測(cè)量技術(shù)不能很好解決的通行、通視等困難。顯然,RTK技術(shù)為鐵路工程測(cè)量開(kāi)辟了一種全新的、高效的測(cè)量模式。本文結(jié)合某鐵路工程測(cè)量實(shí)踐,闡述了GPS-RTK技術(shù)應(yīng)用于工程測(cè)量中的原理、作業(yè)流程和技術(shù)要點(diǎn),通過(guò)試驗(yàn)分析,總結(jié)出了具體應(yīng)用中應(yīng)注意的主要問(wèn)題,對(duì)類(lèi)似工程具有一定的參考價(jià)值。

1RTK定位原理、方法及作業(yè)流程

1.1 GPS-RTK技術(shù)的工作原理

GPS-RTK是基于載波相位觀測(cè)值的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)定位技術(shù),它能夠?qū)崟r(shí)地提供觀測(cè)點(diǎn)在指定坐標(biāo)系中的三維定位結(jié)果,并達(dá)到厘米級(jí)精度。GPS-RTK定位由基準(zhǔn)站和流動(dòng)站兩部分組成?；鶞?zhǔn)站一般選設(shè)在視野開(kāi)闊、地勢(shì)較高的高等級(jí)已知控制點(diǎn)上,它主要是對(duì)GPS衛(wèi)星進(jìn)行連續(xù)跟蹤觀測(cè),并通過(guò)數(shù)據(jù)鏈實(shí)時(shí)地將載波觀測(cè)數(shù)據(jù)及基準(zhǔn)站信息發(fā)送給流動(dòng)站。流動(dòng)站不僅通過(guò)數(shù)據(jù)鏈接收來(lái)自基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù),還要采集GPS觀測(cè)數(shù)據(jù),并在系統(tǒng)內(nèi)組成差分觀測(cè)值進(jìn)行實(shí)時(shí)處理,同時(shí)給出厘米級(jí)定位結(jié)果。

1.2 GPS-RTK定位的作業(yè)流程

作業(yè)流程如圖1所示。

(1)基準(zhǔn)站的設(shè)置。根據(jù)工程需要在當(dāng)?shù)厥占叩燃?jí)已知控制點(diǎn),并對(duì)收集到的控制點(diǎn)進(jìn)行必要的檢測(cè),以保證起算數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。多數(shù)情況下,收集的已知控制點(diǎn)不便于工程直接使用,此時(shí)要在測(cè)區(qū)內(nèi)布設(shè)若干控制點(diǎn),聯(lián)測(cè)坐標(biāo)與高程。RTK定位測(cè)量時(shí),在選定的基準(zhǔn)站上安置接收機(jī),正確配置參數(shù)。(2)坐標(biāo)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換。一般工程項(xiàng)目的建設(shè)都是在地方獨(dú)立坐標(biāo)系中進(jìn)行,因此需要計(jì)算坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。利用控制點(diǎn)(至少三個(gè))進(jìn)行RTK參數(shù)修正(必須解得七參數(shù)),求出坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)后,利用測(cè)量控制器即可實(shí)時(shí)解算出定位點(diǎn)的工程獨(dú)立坐標(biāo)。3)流動(dòng)站測(cè)量定位。坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)確定無(wú)誤后,即可在測(cè)區(qū)根據(jù)工程需要進(jìn)行相關(guān)的測(cè)量定位放樣和測(cè)繪工作。

1.3 GPS-RTK測(cè)量技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)

(1)可大幅度地減少控制測(cè)量的工作量。在常規(guī)地面測(cè)量中,一般按“先控制,后碎部”的原則,首先逐級(jí)布設(shè)測(cè)區(qū)控制網(wǎng),然后再利用控制點(diǎn)進(jìn)行碎部測(cè)量。而GPS-RTK技術(shù)則可免除繁瑣復(fù)雜的分級(jí)控制測(cè)量工作,只需在測(cè)區(qū)布設(shè)少量控制點(diǎn)以建立基準(zhǔn)站即可滿(mǎn)足需要。(2)可全天候作業(yè)。在任何時(shí)間任何地點(diǎn),只要能同時(shí)接收到4顆GPS衛(wèi)星的信號(hào),并滿(mǎn)足一定的幾何圖形條件,即能進(jìn)行正常作業(yè)。(3)可根據(jù)要求精度來(lái)設(shè)置。實(shí)踐表明:當(dāng)觀測(cè)條件良好時(shí),采用性能良好的雙頻接收機(jī)觀測(cè)2s～5s即可得到厘米級(jí)的定位結(jié)果,并且測(cè)量誤差不會(huì)逐點(diǎn)積累,能顯著降低外業(yè)返工率。(4)測(cè)量過(guò)程直觀。采用RTK進(jìn)行測(cè)量定位放樣時(shí),利用流動(dòng)站接收機(jī)的測(cè)量控制器能直觀地對(duì)測(cè)量過(guò)程進(jìn)行有效控制,能及時(shí)查看坐標(biāo)定位精度,這是常規(guī)測(cè)量技術(shù)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。(5)在地形起伏大、植被茂密的地區(qū)進(jìn)行測(cè)量時(shí),RTK技術(shù)能很好地解決測(cè)量過(guò)程中因通行、通視不便而造成的難題。

2工程概況

某12km鐵路工程項(xiàng)目穿過(guò)一省級(jí)森林公園,沿線(xiàn)地形復(fù)雜、山體高差較大(最大值達(dá)400m)、植被茂密、荊棘叢生。該鐵路工程由隧道、橋梁、路基等分項(xiàng)工程組成,其中隧道11座,共長(zhǎng)12901m(左、右線(xiàn)合計(jì));特大、大、中橋13座,共長(zhǎng)7359m(左、右線(xiàn)合計(jì)),匝道橋長(zhǎng)5030m;橋、遂連接路線(xiàn)長(zhǎng)約1500m。工程所處的特殊地理地形條件和工程自身的復(fù)雜性,對(duì)工程測(cè)量工作提出了很高的要求,同時(shí),項(xiàng)目工期要求十分緊迫,又進(jìn)一步加大了測(cè)量工作的難度。

3測(cè)量方法與步驟

3.1 基準(zhǔn)站設(shè)置

由于收集到的已知控制點(diǎn)距線(xiàn)路較遠(yuǎn),因此在線(xiàn)路附近按規(guī)范要求布測(cè)了15個(gè)平面兼高程控制點(diǎn),用作GPS基準(zhǔn)站。平面控制網(wǎng)按C級(jí)GPS靜態(tài)相對(duì)測(cè)量精度施測(cè),并按三等精度聯(lián)測(cè)水準(zhǔn)高程。相鄰控制點(diǎn)平均間距大約為1km,最大間距為3km左右。

3.2 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)的確定

由于本項(xiàng)目所在區(qū)域地理環(huán)境的特殊性,采用常規(guī)測(cè)量方法很難在短時(shí)間內(nèi)完成如此大工作量的測(cè)量工作,因此必須應(yīng)用先進(jìn)的GPS-RTK技術(shù)。使用的儀器為T(mén)rimble 5700型GPS接收機(jī),轉(zhuǎn)換參數(shù)的確定有兩種方法。

(1)利用RTK設(shè)備中測(cè)量控制器在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)算,首先從平面控制點(diǎn)中選擇至少三個(gè)點(diǎn)(三個(gè)點(diǎn)均要有高程),將其準(zhǔn)確的當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)輸人控制器中,然后在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行逐點(diǎn)定位測(cè)量,觀測(cè)時(shí)間不少于5min,當(dāng)三個(gè)點(diǎn)測(cè)量完成后,既可利用測(cè)量控制器中的自帶軟件計(jì)算出坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù)。通過(guò)實(shí)踐證明這種方法在現(xiàn)場(chǎng)花費(fèi)時(shí)間較多,并不實(shí)用。(2)利用步驟1中得到的各個(gè)控制點(diǎn)的大地經(jīng)緯度和測(cè)算出的當(dāng)?shù)刈鴺?biāo),在內(nèi)業(yè)中計(jì)算得到坐標(biāo)轉(zhuǎn)換參數(shù),直接將參數(shù)輸人測(cè)量控制器。實(shí)踐證明,這種方法算得的參數(shù)準(zhǔn)確、花費(fèi)時(shí)間較少。

得到參數(shù)后,在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行檢核測(cè)量,每個(gè)檢查點(diǎn)上觀測(cè)3s。將GPS靜態(tài)觀測(cè)成果與RTK觀測(cè)成果進(jìn)行對(duì)比,對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表1。

由表1可得知,RTK定位成果能滿(mǎn)足鐵路工程中一般測(cè)量工作的精度需要。

3.3 分項(xiàng)測(cè)量

(1)普通控制測(cè)量。在收集的已知點(diǎn)或利用相對(duì)靜態(tài)技術(shù)加密的GPS控制點(diǎn)上,采用RTK技術(shù)連續(xù)觀測(cè)3min～5min加密測(cè)設(shè)部分控制點(diǎn),滿(mǎn)足局部區(qū)域使用全站儀進(jìn)行分項(xiàng)工程測(cè)量的需要。

(2)定線(xiàn)放樣。預(yù)先在測(cè)量控制器中輸人線(xiàn)路中線(xiàn)的曲線(xiàn)要素,即可自動(dòng)生成線(xiàn)路圖。在整個(gè)放線(xiàn)過(guò)程中,控制器實(shí)時(shí)顯示測(cè)點(diǎn)里程和偏移距,從而指導(dǎo)線(xiàn)路放線(xiàn)工作。

(3)地形測(cè)繪。利用RTK進(jìn)行沿線(xiàn)及各工點(diǎn)局部地形測(cè)繪,因?yàn)橐慌_(tái)基準(zhǔn)站可以同時(shí)供多個(gè)流動(dòng)站使用,因此外業(yè)測(cè)量中可以分若干小組同時(shí)開(kāi)展工作,能顯著提高測(cè)圖效率。采用這種技術(shù)可獨(dú)立地完成絕大部分的地形測(cè)繪工作,當(dāng)測(cè)點(diǎn)位于高山密林且地勢(shì)特別低洼處時(shí),GPS信號(hào)嚴(yán)重受阻,則可采用RTK與全站儀相結(jié)合的方法測(cè)繪局部地形,即利用RTK技術(shù)測(cè)設(shè)必要的圖根點(diǎn),再設(shè)全站儀進(jìn)行碎部測(cè)量。實(shí)踐證明:RTK技術(shù)與常規(guī)地面技術(shù)的合理組合是解決復(fù)雜條件下地形測(cè)繪的一條切實(shí)可行的途徑。

(4)縱、橫斷面測(cè)量。本工程包括了隧道、橋梁和路基等多個(gè)分項(xiàng)工程,縱、橫斷面測(cè)量工作量大、工期緊、精度要求高,且現(xiàn)場(chǎng)地形情況十分復(fù)雜,若采用常規(guī)的地面測(cè)量方法,不僅效率低,而且很難保證測(cè)繪成果質(zhì)量。本項(xiàng)目中采用RTK技術(shù)進(jìn)行工程地形斷面測(cè)繪,達(dá)到了靈活、高效和質(zhì)優(yōu)的效果。

(5)專(zhuān)業(yè)調(diào)查與測(cè)繪。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)中要求進(jìn)行橋梁、隧道、路基等各個(gè)專(zhuān)業(yè)的調(diào)查和測(cè)繪工作,比如改河改溝調(diào)查、涵洞調(diào)查,被交叉道路(管線(xiàn))調(diào)查,線(xiàn)路附近重要建(構(gòu))筑物調(diào)查等,這些工作不僅要進(jìn)行實(shí)地調(diào)查,還要進(jìn)行必要的測(cè)繪。采用RTK作業(yè)就能真正做到需要什么測(cè)量什么,避免了常規(guī)方法作業(yè)時(shí)頻繁支點(diǎn)和搬站的勞累,提高了工效,保證了成果質(zhì)量。

4結(jié)語(yǔ)

GPS RTK技術(shù)的引進(jìn)和應(yīng)用,導(dǎo)致了鐵路工程測(cè)量模式的一次根本性變革和發(fā)展。實(shí)踐證明,RTK技術(shù)能顯著提高測(cè)量效率、縮短工期、降低成本,同時(shí)具有精度可靠、方便實(shí)用和靈活多變的突出優(yōu)點(diǎn),它為復(fù)雜地形條件下的鐵路工程測(cè)量開(kāi)辟了一條嶄新的和切實(shí)可行的技術(shù)途徑。在山區(qū)復(fù)雜地形條件下進(jìn)行鐵路測(cè)量時(shí),應(yīng)采取有效措施克服RTK技術(shù)的不足,以提高測(cè)繪成果精度和作業(yè)效率。

在地形起伏較大、森林茂密的山區(qū)或建筑密集的城區(qū),基站與流動(dòng)站之間的數(shù)據(jù)鏈通訊難度顯著加大,RTK的最佳作業(yè)半徑往往比標(biāo)稱(chēng)的有效作業(yè)半徑小許多,因此,一般認(rèn)為作為基準(zhǔn)站控制點(diǎn)的點(diǎn)間距應(yīng)在標(biāo)稱(chēng)半徑的2/3以?xún)?nèi),考慮到鐵路工程的復(fù)雜性,作者認(rèn)為相鄰控制點(diǎn)間距宜小于標(biāo)稱(chēng)半徑的1/2倍,且RTK作業(yè)半徑宜控制在5km～8km以?xún)?nèi)。

同時(shí),基準(zhǔn)站應(yīng)盡可能設(shè)在地勢(shì)較高處。利用RTK進(jìn)行工程測(cè)量時(shí),控制點(diǎn)的數(shù)量比以往大大減少,各測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)均依據(jù)基準(zhǔn)站解算而得,與傳統(tǒng)作業(yè)模式相比,其測(cè)量檢核條件也明顯減少,因此,必須采取已知點(diǎn)校準(zhǔn)、重復(fù)測(cè)量等手段來(lái)檢查測(cè)量成果的精度及其可靠性,作業(yè)過(guò)程中必須通過(guò)GPS接收機(jī)控制器實(shí)時(shí)監(jiān)控基準(zhǔn)站和流動(dòng)站的定位質(zhì)量,同時(shí)必須嚴(yán)格遵守GPS測(cè)量中的相關(guān)技術(shù)規(guī)定,以確保測(cè)量成果的質(zhì)量。

RTK技術(shù)具有很多優(yōu)點(diǎn),但同時(shí)也存在著一些缺點(diǎn)和不足,因此在實(shí)際測(cè)量中的質(zhì)量控制是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。作者認(rèn)為,制定RTK測(cè)量方面的技術(shù)規(guī)范乃當(dāng)務(wù)之急,值得有關(guān)部門(mén)高度重視。

參考文獻(xiàn)

[1] 盧吉鋒.RTK和全站儀在線(xiàn)路工程橫斷面測(cè)量中的應(yīng)用[J].科技資訊,2010(1):66-67.

[2] 韓偉信.淺談全站儀對(duì)邊測(cè)量原理[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2010(2):194-195.